Estados KMS y estados térmicos

En el enfoque algebraico de QM y especialmente de QFT, uno define estados KMS, por ejemplo, como lo hace Wald en sus notas de clase:

Dejar A ser uno -álgebra que describe un sistema y α t : A A una familia de automorfismos de un parámetro. En esta situación, un estado ω : A C se llama estado KMS a temperatura inversa β con respecto a α t si se cumplen las dos condiciones siguientes:

  1. Para cualquier colección de a i A , la función t ¯ = ( t 1 , , t norte ) F a 1 a norte ( t ¯ ) definido por

    F a 1 a norte ( t ¯ ) = ω ( α t 1 ( a 1 ) α t norte ( a norte ) )
    tiene una continuación analítica a la tira
    T norte β = { ( z 1 , , z norte ) C norte | 0 < Soy ( z j ) Soy ( z i ) < β , 1 i j norte } ,
    se requiere que esta función sea acotada y continua en el límite.

  2. En el límite tenemos

    F a 1 a norte ( t 1 , , t k 1 , t k + i β , , t norte + i β ) = F a k a norte a 1 a k 1 ( t k , , t norte , t 1 , , t k 1 )

Los estados KMS se utilizan como una generalización de los estados térmicos para situaciones en las que no existe una matriz de densidad.

Ahora simplemente no puedo entender por qué esta es una buena manera de caracterizar los estados térmicos. En QM podemos definir un estado térmico por una matriz de densidad ρ de la forma

ρ = 1 Z mi β H

dónde H es el operador hamiltoniano y Z la función de partición. Ahora parece haber una gran brecha entre esto y la definición de los estados KMS.

En la página de Wikipedia el autor trató de dar alguna explicación, básicamente diciendo que en estado térmico tenemos

α t ( A ) B = B α t + i β ( A )

dónde α t es el operador de evolución temporal para un intervalo de tiempo t . También afirma que la función z α z ( A ) B es analítico en β < Soy ( z ) < 0 mientras z B α z ( A ) es analítico en 0 < Soy ( z ) < β .

En otras palabras, un estado térmico habitual es un estado KMS.

Ahora, estas no son propiedades obvias desde el punto de vista de la física. Además, no está claro por qué: "un estado térmico satisface (1) y (2)" es justificación suficiente para que "(1) y (2) caractericen estados térmicos".

Entonces, ¿cuál es la intuición detrás de los estados de KMS? ¿Cómo se puede llegar a esta definición, si se trata de describir estados térmicos sin matrices de densidad? ¿Por qué la condición KMS implica un comportamiento térmico para el sistema en consideración?

Respuestas (1)

La condición KMS (que consideras no intuitiva) es equivalente a la condición de Gibbs e^{-beta H} en álgebras matriciales (sistemas cuánticos de dimensión finita). Parece que solo se ha enfatizado en la literatura la implicación de la condición KMS del estado de Gibbs. Veo que una introducción tan rápida de la condición KMS no es tan convincente.

Sin embargo, la condición KMS se considera como una caracterización bien fundamentada de estados de equilibrio para grandes sistemas cuánticos de infinitos grados de libertad. Por ejemplo, es equivalente al criterio EEB del balance de energía-entropía (que esencialmente dice energía libre mínima) y una forma de la segunda ley de la termodinámica como en ``Estados pasivos y estados KMS para sistemas cuánticos generales'' de W. Pusz y SL Woronowicz, que está disponible en projecteuclid.org/euclid.cmp de forma gratuita.

Hay algunos libros. Uno famoso es una monografía de Bratteli-Robinson. Sin embargo, tiene la reputación de estar orientado a las matemáticas, aunque su estilo de escritura es sólido y la cobertura es bastante completa. Para los lectores orientados a la física, puedo sugerir

Mecánica Cuántica y su Macrofísica Emergente por GL Sewell. Sistemas de bosones de muchos cuerpos: medio siglo después por André F. Verbeure

Lo siguiente es citado del libro de Verbeure:

Por otro lado, las condiciones KMS de la mecánica cuántica predican una interpretación física tan evidente del equilibrio. Sin embargo, estamos convencidos de que hay buenas razones para popularizar y promover una serie de ideas básicas generales de este enfoque algebraico, ---

Espero que mi respuesta sea de alguna ayuda a tu pregunta.